Применение магнитоупругих преобразователей

Магнитоупругие преобразователи применяются для изме­рения больших давлений (больше 10 Н/мм², или 100 кГ/см²), так как они непосредственно воспринимают давление и не нуждаются в дополнительных преобразователях. При исполь­зовании магнитоупругих преобразователей для измерения си­лы, предел измерения прибора определяется площадью маг­нитоупругого преобразователя. Данные преобразователи де­формируются под действием силы очень незначительно. Так при l = (50 мм—Dl)£ 10мкм имеют высокую жесткость и соб­ственную частоту до 20 - 50 кГц. Допустимые напряжения в материале магнитоупругого преобразователя не должны пре­вышать 40 Н/мм².

В качестве примера использования магнитоупругих преоб­разователей на рис.4.57 приведена конструкция датчика маг­нитоупругого торсиометра, применяемого для измерения кру­тящего момента на буровом инструменте. Магнитоупругим элементом является участок 1 рабочего вала, выполненного из ферромагнитного материала. Этот участок вала охвачен кольцевым статором 2. Статор имеет внутренние радиально расположенные выступы (полюсы) 3 из листовой трансформа­торной стали, на которые намотаны намагничивающие катуш­ки 4, питаемые переменным током.

Рис. 4.57. Устройство датчика маг­нитоупругого торсиометра.

Катушки соединены после­довательно так, чтобы полюса чередовались. При отсутствия крутящего момента направление магнитного потока между полюсами перпендикулярно образующей вала (линия 2—2 на рис.4.58).

Рис. 4.58. Кар­тина поля между полюсами намагничивающих катушек.

Измерительные катушки преобразователя 5 - имеют сердечник 6 П-образной формы из трансформаторной стали. Их оси расположены вдоль образующей вала. Катушки со­единены последовательно. При отсутствии крутящего момента концы сердечника 2—2 расположены на одной и той же отно­сительной магнитной эквипотенциали 0,5 и, следовательно, разности магнитного потенциала между ними нет. При дейст­вии крутящего момента изменится магнитная проницаемость m материала вала, причем в направлениях, в которых вал испытывает деформацию сжатия, m будет уменьшаться, а в направлениях деформации растяжения - увеличиваться. Вследствие возникшей магнитной анизотропии изменится кар­тина поля между полюсами намагничивающих катушек, т.е. полюса 2—2 сердечника измерительной катушки уже не будут находиться на одной эквипотенциальной линии и через сердечник пойдет часть магнитного потока. При изменении знака момента картина поля изменится на обратную и на 180° изме­нится фаза потока, а, следовательно, и фаза выходного напряжения, индуктированного в катушке.

Магнитоупругий динамометр — прибор для измерения со­средоточенных сил (рис.4.59).

На рис.4.59 представлена измерительная цепь магнитоупругого динамометра, где Z_X - сопротивление рабочего преобра­зователя, a Z_N - сопротивление ненагруженного (нерабочего) преобразователя. При начальном значении Z_X (Z_X = Z_N) измерительная цепь уравновешена и ток в измерительной це­пи равен нулю. При Z_X ¹ Z_N через измеритель протекает ток. Шкала измерителя может быть проградуирована в единицах измеряемой силы.

Рис. 4.59. Измерительная цепь магнитоупругого динамометра.

Частота собственных колебаний преобразователя дости­гает нескольких десятков тысяч герц, что дает возможность при соответствующем выборе частоты источника питания из­мерять динамические силы до частот порядка 10 кГц.

4.9. Электролитические преобразователи сопротивления

Общие сведения

Электролитические преобразователи относятся к типу элек­трохимических преобразователей. В общем случае электро­химический преобразователь представляет собой электролити­ческую ячейку, заполненную раствором с помещенными в нее электродами, служащими для включения преобразователя в измерительную цепь. Как элемент электрической цепи элект­ролитическая ячейка может характеризоваться развиваемой ею э.д.с., падением напряжения от проходящего тока, сопро­тивлением, емкостью и индуктивностью. Выделяя зависимость между этими электрическими параметрами и измеряемой не­электрической величиной и подавляя действие других факто­ров, можно создать преобразователи для измерения состава и концентрации жидких и газообразных сред, давлений, переме­щений, скорости, ускорения и др. величин. Электрические па­раметры ячейки зависят от природы и состава раствора и электродов, химических превращений в ячейке, температуры, скорости перемещения раствора и др. Связи между электри­ческими параметрами электрохимических преобразователей и неэлектрическими величинами определяются законами элект­рохимии.

Растворы солей, кислот и оснований в воде и в ряде других растворителей обладают электропроводностью и называются: проводниками второго рода. При растворении происходит дис­социация - расщепление молекул на положительные и отри­цательные ионы. Вещества, расщепляющиеся при растворении на ионы и образующие электропроводящие растворы, называ­ются электролитами. Под воздействием электрического поля. положительные ионы движутся к отрицательному электроду, а отрицательные ионы к положительному электроду и переносят электрические заряды.

Электропроводность чистой дистиллированной воды близ­ка к нулю и возрастает по мере повышения концентрации рас­творенных веществ. Растворы характеризуются весовой кон­центрацией Р, измеряемой в граммах на литр, миллиграммах на литр или в миллиграммах на миллилитр, эквивалентной или молярной концентрацией С, измеряемой в грамм-эквивалентах (Г-экв) или грамм-молекулах (Г-моль) на литр и хими­ческой активностью а.

Активность а равна произведению эквивалентной концент­рации С на коэффициент активности f, равный единице для растворов с небольшой концентрацией и уменьшающийся по мере повышения концентрации (из-за уменьшения степени диссоциации и подвижности ионов).

Удельная электропроводность раствора пропорциональна его эквивалентной химической активности

(4.27)

Коэффициент l называется эквивалентной электропро­водностью. Удельная электропроводность зависит нелинейно от весовой концентрации Р или эквивалентной концентра­ции С. Зависимость проводимости электролитов от их концент­рации дает возможность использовать электролитическую ячейку в качестве измерительного преобразователя, естествен­ной входной является значение химической активности а рас­твора. Выходной величиной преобразователя является элект­рическая проводимость между электродами.

Принцип действия и погрешности электролитического преобразователя сопротивления

Принцип действия электролитических преобразователей основан на зависимости сопротивления электролитической ячейки от состава и концентрации электролита, а также от геометрических размеров ячейки. Сопротивление столба жид­кости электролитического преобразователя равно

(4.28)

где g = 1/r - удельная проводимость электролита; k - постоянная преобразователя, зависящая от соотношения его геометрических размеров, определяемая обычно экспериментально.

Практически здесь может быть применен любой из мето­дов, применяемых для измерения сопротивления. Измерение производится в основном на переменном токе (для того, что­бы не происходило электролиза во время измерения). При включении прибора в сеть постоянного тока напряжение пи­тания цепи должно быть достаточно велико, чтобы э.д.с. по­ляризации не вызвала большой погрешности измерения.

Градуировку приборов для измерения концентрации рас­творов производят двумя методами:

а) с помощью образцовых растворов;

б) с помощью образцовых магазинов сопротивления, пред­варительно вычислив значения сопротивления для ряда задан­ных концентраций.

Второй способ является более простым и удобным, но со­противление, подсчитанное по его постоянной, представляет его активное сопротивление, в то время как при работе на переменном токе показание прибора соответствует полному сопротивлению преобразователя. Различие между полным и активным сопротивлением, характеризуемое сдвигом по фазе между током и напряжением в преобразователе, может об­условить собой погрешность измерения прибора, доходя­щую в некоторых случаях до нескольких десятков процентов. Дело в том, что при прохождении через преобразователь пере­менного тока имеет место ряд явлений, эквивалентных в элек­трическом отношении действию емкостей, включенных после­довательно или параллельно активному сопротивлению пре­образователя.

Это емкость двойного слоя зарядов на границе электрод - раствор, называемая статической емкостью, которую можно считать включенной последовательно с сопротивлением раст­вора. Следует также учитывать емкость, обусловленную пере­мещением зарядов относительно друг друга и относительно за­рядов на электродах, называемую электролитической емко­стью, которую можно считать включенной параллельно сопро­тивлению раствора электролита.

Для уменьшения влияния емкостей сопротивление преобра­зователей выбирается 500…1000 Ом, чтобы падение напряже­ния на нем было в пять-шесть раз больше падения напряже­ния на емкости, что позволяет производить градуировку при­бора при помощи образцовых сопротивлений.

Электропроводность раствора в значительной степени за­висит от температуры. Величина температурного коэффициен­та проводимости при комнатной температуре колеблется от 0,016 для кислот, 0,024 - для солей, для оснований b=0,019 . C увеличением температуры значение b уменьшается. Существует много различных методов компенсации температурной погрешности, однако все эти методы дают не­совершенную температурную компенсацию, причем погреш­ность от изменения температуры растет с увеличением диапа­зона изменения температуры и концентрации электролита.

На рис.4.60 приведен пример одного из методов ком­пенсации температурной погрешности путем последовательного включения компенсирующего сопротивления.

Рис.4.60. Электролитический преобразователь с температурной компенсацией.

Со­противление R₁, включенное параллельно электродам, выпол­нено из манганина, а компенсирующее R_K - из меди и ни­келя. При температуре градуировки

При повышении температуры на q град.

(4.29)

где b_X - температурный коэффициент проводимости элект­ролита;

a_K - температурный коэффициент сопротивления R_K.

Компенсация будет иметь место при

R_AB = R’_AB

Таким образом, мы получаем квадратное уравнение от­носительно R_X, на основании которого делаем заключение, что при заданных значениях R₁ и R_K компенсация для за­данной q будет иметь место при двух значениях R_X.

Решена может быть и обратная задача, т.е. определе­ние значения R₁ и R_K для заданного диапазона R_X (от R_X1 до R_X2) и заданного повышения q.

Решая уравнение R_AB=R’_АB относительно R₁ и R_K для двух значений R_X (R_X1 и R_X2) получим,

(4.30)

Следовательно, для любых двух значений концентрации можно подсчитать величины R₁ и R_K для заданного диапа­зона изменения температуры. Погрешность от температуры будет тем больше, чем шире диапазон изменения концентра­ции и больший диапазон изменения температуры исследуемо­го раствора электролита. Недостатком этого метода компенса­ции температурной погрешности является то, что большая ве­личина R_K затрудняет конструирование преобразователя и от­вод тепла от него. При нагреве же R_K током его сопротивле­ние увеличивается и компенсация нарушается.